Физики исследовали движение частиц Януса в электрическом поле

Команда исследователей под руководством Ольги Виноградовой, профессора физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова и заведующей лабораторией в Институте физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина (ИФХЭ) РАН, с помощью компьютерного эксперимента предсказала, как будут двигаться нано- и микрометровые частицы Януса в водном растворе соли, если к этому раствору приложить электрическое поле. Ученые объяснили, как из простого лабораторного эксперимента с этими частицами можно извлечь целый набор свойств, с помощью которых описывается поведение таких сложных объектов, как белки, вирусы и живые клетки, а также направленный транспорт «контейнеров» в микрофлюидных устройствах. Исследование опубликовано в журнале The Journal of Chemical Physics.

Частицами Януса принято называть микро- или нано-объекты, на поверхности которых есть как минимум два участка с выражено отличающимися свойствами. Например, это может быть сфера, половинки которой заряжены по-разному, или частица, покрытая тонким слоем платины лишь с одной стороны. Такие системы нашли множество применений, так как с помощью неоднородных поверхностных свойств можно управлять движением или ориентацией частиц. Эти эффекты, например, лежат в основе работы дисплеев на «электронных чернилах».

Авторы новой статьи изучали, как частицы Януса, которые заряжены лишь с одной стороны и находятся в водном растворе соли, ведут себя в электрическом поле. Эта модельная система очень напоминает многие белковые комплексы, так как они почти всегда имеют неравномерный заряд. Под действием поля такие частицы всегда начинают двигаться, это явление называется электрофорез и широко используется для экспериментального определения их поверхностного потенциала, который связан с плотностью заряда и структурой поверхности.

«Самой сложной частью работы было придумать метод, с помощью которого можно промоделировать такую систему, — комментирует Ольга Виноградова, — ведь из-за несимметричного распределения заряда, а также присутствия ионов соли и тепловых флуктуаций частицы Януса практически невозможно описать привычными континуальными уравнениями сплошных сред. В итоге нам пришлось использовать гибридную компьютерную модель на основе молекулярной динамики и метода решеточного уравнения Больцмана».

В результате исследования оказалось, что частицы Януса далеко не всегда могут быть описаны теориями, традиционно используемыми в экспериментах по электрофорезу. Так, неравномерно заряженные частицы Януса двигаются под действием электрического поля намного медленнее, чем однородные частицы с таким же суммарным зарядом. Причем удалось установить, что с увеличением неравномерности заряда подвижность всегда падала: частицы Януса с сильно концентрированным зарядом двигались медленнее всего.

Другим необычным явлением, наблюдавшимся в этой системе, была ориентация частиц Януса вдоль внешнего электрического поля. Эти объекты вели себя как диполи, хотя и имели заряд только одного знака, вместо привычных «+» с одной стороны и «-» — с другой. Авторы также показали, что частицы Януса нанометрового размера не только стремятся повернуться по полю, но и активно колеблются из-за теплового движения. При этом точность ориентации определяется простым соотношением, с помощью которого можно измерять дипольный момент наночастиц из все того же эксперимента по электрофорезу.

По мнению авторов, их новая работа имеет большое значение для исследований биологических объектов, заряд которых почти всегда неравномерно распределен по поверхности. Кроме того, способность частиц Януса ориентироваться вдоль поля может найти применение в микрофлюидных устройствах для анализа и химического синтеза. Благодаря простому механизму управления движением частиц Януса они могут выступать в качестве транспортных средств для других объектов, которые необходимо доставлять из одной части микрофлюидного чипа в другую.